CN108197387B - 一种电力机车再生制动能量存储装置的选址方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力机车再生制动能量存储装置的选址方法，包括步骤：计算定时工况下电力机车的最低能耗运行速度曲线；以该速度曲线为目标速度，进行牵引计算，获得一辆电力机车在一次完整运行过程中的再生制动能量时空分布特性；计及行车运行图，获得线路全天再生制动能量的时空分布特性；根据再生制动能量的分布情况，进行再生能量存储装置的选址。本发明的有益效果在于，以控制向量参数化方法得到的速度曲线为基础目标速度，结合牵引计算得到更加准确的电力机车实际运行过程，相比目前电力机车仅使用牵引计算得到的运行结果更加节能。

Description

一种电力机车再生制动能量存储装置的选址方法

技术领域

本发明涉及轨道交通能量规划管理领域，特别是一种电力机车再生制动能量存储装置的选址方法。

背景技术

在高铁快速发展的现实背景下，高速电气化铁路的节能降耗是近年来关注的热点。新型的高速电力机车普遍采用以再生制动为主的制动方式，在制动过程中会产生再生能量，由于高速电力机车质量大、速度高的特点，这部分能量可以占到总牵引能耗的10～20％。再生制动能量的有效存储与高效利用将大大提升高速铁路能量的利用率，是高铁节能降耗的重要手段之一。

在城市轨道交通领域，电力机车启动制动频繁，运行期间会产生大量的再生制动能量，而由于其运行区间较短，在存储再生制动能量时主要考虑存储装置的容量问题，对安装位置要求不高。高速电力机车的运行区间较长，速度较高，制动频率低，再生制动功率大，与传统的城市轨道交通频繁制动的特性有较大区别，再生制动能量分布特性有所不同，因此在能量存储装置的选址设计上需要另行考虑。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力机车再生制动能量存储装置的选址方法，该方法有效提高了再生制动能量的存储效率。

实现本发明目的的技术方案是：

一种电力机车再生制动能量存储装置的选址方法，包括：

步骤1.计算定时工况下电力机车的最低能耗运行速度曲线，包括：

1-1.以运行里程为基本步长，建立单质点电力机车的动力学模型：

式(1)中，t为运行时刻，s为运行公里标，κ为单位动能，v为电力机车运行速度；

式(2)中，M为电力机车总质量，ρ为旋转质量系数，μ_t为牵引力系数，F_t为牵引力，μ_b为制动力系数，F_b为制动力，F_r为基本阻力，F_a为附加阻力；

1-2.以线路坡段为基准，参数化控制向量：

式(3)中，F为全运行区间控制变量向量集，Fⁿ为第n个子区间的控制变量常数向量，由牵引力F_t和制动力F_b构成；

1-3.建立能耗目标模型，求取实际牵引能耗，并取最小值：

式(4)中，J为实际牵引能耗，S₁为线路起始位置，S₂为线路结束位置，η为再生制动能量利用率，F_rb为再生制动力；

1-4.采用控制向量参数化方法求解电力机车最低能耗运行的速度曲线；

步骤2.以最低能耗运行速度曲线为目标速度，进行牵引计算，获得一辆电力机车在一次完整运行过程中的再生制动能量时空分布特性，包括：

2-1.加速过程：电力机车从静止发车，以最大牵引力恒转矩加速运行，直至到达目标速度或者坡段限速，结束加速状态；坡段坡度较大时，电力机车速度会下降，当速度降至允许范围以下时，电力机车再次以最大牵引力恒功率加速运行，直至到达目标速度或者坡段限速；加速过程中电力机车消耗牵引能量，不产生再生制动能量，单步长能量为：

E_fu(s,t)＝F_ft(v(s,t))·Δs (5)

式(5)中，E_fu为包含位置和时刻信息的全力牵引能量，F_ft为最大牵引力，Δs为位移步长；

2-2.匀速过程：电力机车到达目标速度或坡段限速后，进入匀速状态，运行速度保持在允许范围内；匀速过程中电力机车消耗牵引能量，不产生再生制动能量，单步长能量为：

E_pu(s,t)＝F_pt(v(s,t))·Δs (6)

式(6)中，E_pu为包含位置和时刻信息的部分牵引能量，F_pt为部分牵引力；

2-3.惰行过程：电力机车在进入长大下坡道时，牵引力无需做功速度也可以保持在允许范围内，此时电力机车处于惰行状态；电力机车进入制动状态前会惰行减速一段距离，充分利用动能，这段时间电力机车处于惰行状态；惰行过程中电力机车不消耗能量，不产生再生制动能量，单步长能量为：

E₀(s,t)＝0 (7)

式(7)中，E₀为包含位置和时刻信息的牵引能量；

2-4.制动过程：电力机车即将停站时，再生制动力和空气制动力共同作用全力减速直至电力机车速度为0；电力机车速度超过坡段限速时，会优先使用再生制动降低速度，同时产生再生制动能量；制动过程中电力机车不消耗能量，产生再生制动能量，单步长能量：

E_r(s,t)＝F_rb(v(s,t))·Δs (8)

式(8)中，E_r为包含位置和时刻信息的再生制动能量；

步骤3.根据行车运行图提供的各个车站的地理空间、各个车次发车和到站的时间信息，结合电力机车在一个完整运行过程中的再生能量时空分布特性，构建线路全天24小时再生制动能量的时空分布特性；

步骤4.根据线路全天24小时再生制动能量的时空分布特性，结合线路牵引变电所的位置，统计单个牵引变电所产生的再生能量和牵引变电所从电网侧获取的电量，进而求解再生制动能量存储装置的安装位置，包括：

4-1.根据线路全天24小时再生制动能量的时空分布特性，求解牵引变电所供电区间内可以被存储的再生能量，其计算公式为：

式(9)中，E_rsum为牵引变电所供电区间内可存储的再生能量总和，T为线路单日最终运行时刻，E_r为供电区间范围内某时刻单列电力机车的再生制动能量，E_u为同一区间同一时刻牵引电力机车消耗的能量；S_start为供电区间起始位置；S_end为供电区间结束位置；

4-2.牵引变电所全天24小时从电网侧获取的电量E_sum为：

式(10)中，U_A(t)为t时刻电力系统A相电压有效值，I_A(t)为t时刻电力系统A相电流有效值，U_B(t)为t时刻电力系统B相电压有效值，I_B(t)为t时刻电力系统B相电流有效值，U_C(t)为t时刻电力系统C相电压有效值，I_C(t)为t时刻电力系统C相电流有效值；

4-3.牵引变电所可存储再生能量比率ξ为：

当ξ超过10％时，在该牵引变电所设置能量存储装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明以控制向量参数化方法得到的速度曲线为基础目标速度，结合牵引计算得到更加准确的电力机车实际运行过程，相比目前电力机车仅使用牵引计算得到的运行结果更加节能。结合行车运行图，以所述结合控制向量参数化方法的牵引计算对全线电力机车运行进行计算，获得全线一天内牵引能量与再生制动能量的时空分布特性，并据此选取再生制动能量存储装置的最优安装位置，具有较好的效果，可以有效提升高速铁路的能量利用率。

具体实施方式

以下对本发明进行进一步的详细说明。

本发明提供一种电力机车再生制动能量存储装置的选址方法，包括以下步骤：

步骤1.计算定时工况下电力机车的最低能耗运行速度曲线；

步骤2.以该速度曲线为目标速度，进行牵引计算，获得一辆电力机车在一次完整运行过程中的再生制动能量时空分布特性；

步骤3.计及行车运行图，获得线路全天再生制动能量的时空分布特性；

步骤4.根据再生制动能量的分布情况，进行再生能量存储装置的选址。

其中，

步骤1，计算定时工况下电力机车的最低能耗运行速度曲线，具体包括：

1-1.以运行里程为基本步长，建立单质点电力机车的动力学模型：

式(1)中，t为运行时刻，s为运行公里标，κ为单位动能，v为电力机车运行速度；

式(2)中，M为电力机车总质量，ρ为旋转质量系数，μ_t为牵引力系数，F_t为牵引力，μ_b为制动力系数，F_b为制动力，F_r为基本阻力，F_a为附加阻力；

1-2.以线路坡段为基准，参数化控制向量：

式(3)中，F为全运行区间控制变量向量集，Fⁿ为第n个子区间的控制变量常数向量，由牵引力F_t和制动力F_b构成；

1-3.建立能耗目标模型，求取实际牵引能耗，并取最小值：

式(4)中，J为实际牵引能耗，S₁为线路起始位置，S₂为线路结束位置，η为再生制动能量利用率，F_rb为再生制动力；

1-4.采用控制向量参数化方法求解电力机车最低能耗运行的速度曲线。

步骤2，以最低能耗运行速度曲线为目标速度，进行牵引计算，获得一辆电力机车在一次完整运行过程中的再生制动能量时空分布特性，包括：

2-1.加速过程：电力机车从静止发车，以最大牵引力恒转矩加速运行，直至到达目标速度或者坡段限速，结束加速状态；坡段坡度较大时，电力机车速度会下降，当速度降至允许范围以下时，电力机车再次以最大牵引力恒功率加速运行，直至到达目标速度或者坡段限速；加速过程中电力机车消耗牵引能量，不产生再生制动能量，单步长能量为：

E_fu(s,t)＝F_ft(v(s,t))·Δs (5)

式(5)中，E_fu为包含位置和时刻信息的全力牵引能量，F_ft为最大牵引力，Δs为位移步长；2-2.匀速过程：电力机车到达目标速度或坡段限速后，进入匀速状态，运行速度保持在允许范围内；匀速过程中电力机车消耗牵引能量，不产生再生制动能量，单步长能量为：

E_pu(s,t)＝F_pt(v(s,t))·Δs (6)

式(6)中，E_pu为包含位置和时刻信息的部分牵引能量，F_pt为部分牵引力；

2-3.惰行过程：电力机车在进入长大下坡道时，牵引力无需做功速度也可以保持在允许范围内，此时电力机车处于惰行状态；电力机车进入制动状态前会惰行减速一段距离，充分利用动能，这段时间电力机车处于惰行状态；惰行过程中电力机车不消耗能量，不产生再生制动能量，单步长能量为：

E₀(s,t)＝0 (7)

式(7)中，E₀为包含位置和时刻信息的牵引能量；

2-4.制动过程：电力机车即将停站时，再生制动力和空气制动力共同作用全力减速直至电力机车速度为0；电力机车速度超过坡段限速时，会优先使用再生制动降低速度，同时产生再生制动能量；制动过程中电力机车不消耗能量，产生再生制动能量，单步长能量：

E_r(s,t)＝F_rb(v(s,t))·Δs (8)

式(8)中，E_r为包含位置和时刻信息的再生制动能量。

步骤3，计及行车运行图，获得线路全天再生制动能量的时空分布特性，其具体方法为：根据行车运行图提供的各个车站的地理空间、各个车次发车和到站的时间信息，结合电力机车在一个完整运行过程中的再生能量时空分布特性，构建线路全天24小时再生制动能量的时空分布特性。

步骤4，根据再生制动能量的分布情况，进行再生能量存储装置的选址，其具体实施方法为：根据线路全天24小时再生制动能量的时空分布特性，结合线路牵引变电所的位置，统计单个牵引变电所产生的再生能量和牵引变电所从电网侧获取的电量，进而求解再生制动能量存储装置的安装位置，包括

4-1.根据线路全天24小时再生制动能量的时空分布特性，求解牵引变电所供电区间内可以被存储的再生能量，其计算公式为：

式(9)中，E_rsum为牵引变电所供电区间内可存储的再生能量总和，T为线路单日最终运行时刻，E_r为供电区间范围内某时刻单列电力机车的再生制动能量，E_u为同一区间同一时刻牵引电力机车消耗的能量；S_start为供电区间起始位置；S_end为供电区间结束位置；

4-2.牵引变电所全天24小时从电网侧获取的电量E_sum为：

式(10)中，U_A(t)为t时刻电力系统A相电压有效值，I_A(t)为t时刻电力系统A相电流有效值，U_B(t)为t时刻电力系统B相电压有效值，I_B(t)为t时刻电力系统B相电流有效值，U_C(t)为t时刻电力系统C相电压有效值，I_C(t)为t时刻电力系统C相电流有效值；

4-3.牵引变电所可存储再生能量比率ξ为：

当ξ超过10％时，在该牵引变电所设置能量存储装置。

Claims (1)

1.一种电力机车再生制动能量存储装置的选址方法，其特征在于，包括：

步骤1.计算定时工况下电力机车的最低能耗运行速度曲线，包括：

1-1.以运行里程为基本步长，建立单质点电力机车的动力学模型：

式(1)中，t为运行时刻，s为运行公里标，κ为单位动能，v为电力机车运行速度；

式(2)中，M为电力机车总质量，ρ为旋转质量系数，μ_t为牵引力系数，F_t为牵引力，μ_b为制动力系数，F_b为制动力，F_r为基本阻力，F_a为附加阻力；

1-2.以线路坡段为基准，参数化控制向量：

式(3)中，F为全运行区间控制变量向量集，Fⁿ为第n个子区间的控制变量常数向量，由牵引力F_t和制动力F_b构成；

1-3.建立能耗目标模型，求取实际牵引能耗，并取最小值：

式(4)中，J为实际牵引能耗，S₁为线路起始位置，S₂为线路结束位置，η为再生制动能量利用率，F_rb为再生制动力；

1-4.采用控制向量参数化方法求解电力机车最低能耗运行的速度曲线；

步骤2.以最低能耗运行速度曲线为目标速度，进行牵引计算，获得一辆电力机车在一次完整运行过程中的再生制动能量时空分布特性，包括：

2-1.加速过程：电力机车从静止发车，以最大牵引力恒转矩加速运行，直至到达目标速度或者坡段限速，结束加速状态；坡段坡度较大时，电力机车速度会下降，当速度降至允许范围以下时，电力机车再次以最大牵引力恒功率加速运行，直至到达目标速度或者坡段限速；加速过程中电力机车消耗牵引能量，不产生再生制动能量，单步长能量为：

E_fu(s,t)＝F_ft(v(s,t))·Δs (5)

式(5)中，E_fu为包含位置和时刻信息的全力牵引能量，F_ft为最大牵引力，Δs为位移步长；

2-2.匀速过程：电力机车到达目标速度或坡段限速后，进入匀速状态，运行速度保持在允许范围内；匀速过程中电力机车消耗牵引能量，不产生再生制动能量，单步长能量为：

E_pu(s,t)＝F_pt(v(s,t))·Δs (6)

式(6)中，E_pu为包含位置和时刻信息的部分牵引能量，F_pt为部分牵引力；

2-3.惰行过程：电力机车在进入长大下坡道时，牵引力无需做功速度也可以保持在允许范围内，此时电力机车处于惰行状态；电力机车进入制动状态前会惰行减速一段距离，充分利用动能，这段时间电力机车处于惰行状态；惰行过程中电力机车不消耗能量，不产生再生制动能量，单步长能量为：

E₀(s,t)＝0 (7)

式(7)中，E₀为包含位置和时刻信息的牵引能量；

2-4.制动过程：电力机车即将停站时，再生制动力和空气制动力共同作用全力减速直至电力机车速度为0；电力机车速度超过坡段限速时，会优先使用再生制动降低速度，同时产生再生制动能量；制动过程中电力机车不消耗能量，产生再生制动能量，单步长能量：

E_r(s,t)＝F_rb(v(s,t))·Δs (8)

式(8)中，E_r为包含位置和时刻信息的再生制动能量；

步骤3.根据行车运行图提供的各个车站的地理空间、各个车次发车和到站的时间信息，结合电力机车在一个完整运行过程中的再生能量时空分布特性，构建线路全天24小时再生制动能量的时空分布特性；

步骤4.根据线路全天24小时再生制动能量的时空分布特性，结合线路牵引变电所的位置，统计单个牵引变电所产生的再生能量和牵引变电所从电网侧获取的电量，进而求解再生制动能量存储装置的安装位置，包括：

4-1.根据线路全天24小时再生制动能量的时空分布特性，求解牵引变电所供电区间内可以被存储的再生能量，其计算公式为：

式(9)中，E_rsum为牵引变电所供电区间内可存储的再生能量总和，T为线路单日最终运行时刻，E_r为供电区间范围内某时刻单列电力机车的再生制动能量，E_u为同一区间同一时刻牵引电力机车消耗的能量；S_start为供电区间起始位置；S_end为供电区间结束位置；

4-2.牵引变电所全天24小时从电网侧获取的电量E_sum为：

式(10)中，U_A(t)为t时刻电力系统A相电压有效值，I_A(t)为t时刻电力系统A相电流有效值，U_B(t)为t时刻电力系统B相电压有效值，I_B(t)为t时刻电力系统B相电流有效值，U_C(t)为t时刻电力系统C相电压有效值，I_C(t)为t时刻电力系统C相电流有效值；

4-3.牵引变电所可存储再生能量比率ξ为：

当ξ超过10％时，在该牵引变电所设置能量存储装置。